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低功耗微控制器在交流电供电应用中的系统优势 |
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作者：美国微芯科技公司 Keith Curtis |
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设计交流电供电应用的难点并不是高电压或危险的大电流，而是如何为低电压元器件提供简单而高效的电源。通常，要为控制部分提供50毫瓦的功率，电源的功耗可能就要超过2～3W。热损耗不仅增加了电源的成本，而且使机箱过热。这也说明了为什么在设计低成本交流电供电的控制应用时，充分利用每一种能够降低功耗的特性和技术是如此重要。
微控制器的低功耗技术
设计时要降低功耗首先要选择正确的微控制器。尽管过去的CMOS微控制器声称是低功耗的，但只有针对电池供电设计的新型低功耗微控制器才能提供有效的电源管理。这些新型微控制器所具备的一些特性可以显著降低设计中的电流消耗，这些特性包括：
新型低功耗微控制器专门针对小电流工作而进行了优化，因此比过去的CMOS微控制器消耗的电流小；
新型微控制器可以选择较低的时钟频率，从而可以进一步降低电流消耗；
新型微控制器工作电压更低，也降低了电流消耗；
新型微控制器的休眠模式可以大大降低电流消耗。
事实上，所有这些新特性在为电池供电应用设计的新型微控制器系列中是很常见的，Microchip的纳瓦技术微控制器就是这种新型低功耗微控制器。该系列微控制器是专门为减小电流消耗而设计的，主要通过降低工作电流、选用较低的时钟频率以及关断机制来实现。正是有了这四个特性，通过采用新型低功耗纳瓦技术，使微控制器工作在3V电压和32kHz时钟的情况下，电流消耗将从过去CMOS微控制器的1～2mA降到18μA以下，而且有一半时间都处于睡眠状态。
采用低功耗微控制器、三端双向可控硅
和LCD显示界面的应用实例。
需要特别指出的是，电流的降低主要归功于采用了32kHz时钟，以及微控制器有50%的时间都处于睡眠模式。常见的问题是：“这些特性是否会对设计造成局限呢？”
答案是否定的。典型的交流电供电应用工作在60Hz左右(美国标准，中国为50Hz)的交流电频率时序上。工作在32kHz时钟频率的微控制器仍然在60Hz电源的每个周期内具有超过136个指令周期。如果微控制器仅仅需要在60Hz交流电源的过零点之后延迟适当的时间来触发三端双向可控硅(TRIAC)的话，这足够了。对于微控制器来说，唯一对时间有严格要求的部分是用户接口。但即使是这一功能的操作时间也在数十至数百毫秒的范围。因此，很少情况下会需要快速时钟或更多的指令周期。
然而，如果微控制器确实需要较高的速度，那么通常通过软件来控制可变时钟结构。这意味着微控制器可以根据当前任务来选择自己的时钟。如果仅仅是监视按钮状态和等待过零点，那么可以运行在节能的32kHz时钟频率。如果需要完成复杂的浮点计算，那么只需采用较高频率的时钟，当运算完成后再回到低功耗状态下的时钟频率。这种时钟频率的自我控制使微控制器可根据需要控制电流消耗，适应可能遇到的任何情况。
窄脉冲驱动可控硅
由于三端双向可控硅的锁定特性和双向开关功能，交流电源的开关经常采用三端双向可控硅器件。遗憾的是，大多数设计人员经常忘记了TRIAC的锁定特性能够为设计带来的好处。三端双向可控硅通过的电流一旦超过最小维持电流，TRIAC就会锁定，控制端的偏置电流就可以停止，从而可以大大节省电流。事实上，对于敏感的三端双向可控硅器件来说，只要在可控硅的控制端加一个持续300μS时间的3mA偏置电流脉冲，就可以使可控硅在波形的整个半周期内导通。而3mA的电流脉冲平均到60Hz半周期内，实际上相当于不到100μA的持续电流。因此，与传统的控制三端双向可控硅的方案相比，采用窄脉冲驱动可控硅可以节约几乎96%的电流。
用户界面
传统设计通常采用小电流LED用于用户界面指示。然而，每个LED的电流消耗可达1～5mA。对于需要以微安为单位来考虑电流消耗的设计，这种方案显然不可行。解决方法仍然是采用低功耗微控制器。具体来说就是采用内置LCD驱动电路的微控制器。
LCD驱动电路的电流消耗典型值为30～40μA，此外还需要100～200μA的电流来产生显示屏需要的偏置电压。与单LED消耗1～5mA电流相比，LCD的优点非常明显。LCD不仅消耗电流小，而且为设计人员提供了灵活和用户友好的显示界面。由于LCD驱动电路在低功耗应用中非常普遍，因此找到同时集成LCD外设和低功耗模式的芯片并不困难。事实上，PIC16F91X系列除了具有Microchip的纳瓦技术低功耗特性外，还带有LCD外设，以及多种其他外设。
LCD显示经常被攻击的一个缺点是在弱光条件下看不清楚。解决方法非常简单，只要增加背光就可以提高显示对比度。有人可能要问：“增加背光不会增大电流消耗吗？”如果采用LED背光，那么设计的电流消耗肯定会增大。然而，LCD显示采用电致发光(EL)背光就可以避免这一问题，因为EL背光板可以直接利用110V交流电源驱动，它只需要一个小的限流电阻。因此，EL背光对于低电压部分的电流消耗没有影响。
用户界面的另一部分是按钮输入。传统上，这个部分包括一个或多个按钮，每个按钮都经一个上拉电阻与微控制器的数字输入引脚连接。尽管上拉电阻所消耗的电流对于减少整个设计的电流消耗似乎没有多大影响，但PIC16F91X系列这样的低功耗微控制器所提供的“弱上拉”功能也能够提供一些帮助。这些内部弱上拉电阻提供了类似的电流源，但免去了外部电阻的成本。同时，还可以通过软件禁止或利用弱上拉功能，仅在微控制器实际读取按钮状态的时候才使用弱上拉功能，也就是说，只有这时上拉电阻才会消耗电流。
电源设计
本文开始就指出，低功耗微控制器可大大减小电流、降低功耗和成本。比较的对象是典型的传统设计：1个CMOS微控制器、1个三端双向可控硅、2个按钮和6个LED。在这种情况下，整个设计的电流消耗约为10mA：TRIAC 3mA，每个LED 5mA(假设仅有一个点亮)，微控制器2mA。在电压为5V时提供这么大的电流，电源将需要消耗2.4W功率。
2.4W=(110VAC－5VDC)*(10mA+10mA+3mA)
第一个10mA是正半周时的电源电流，另一个10mA为大电容充电的电流，用来在负半周时为电路提供电流，最后的3mA是稳压二极管的偏置电流。
利用前面讨论的减小电流措施，采用低功耗微控制器实现的类似设计其电流消耗还不到400μA：TRIAC平均电流为100μA，LCD为240μA，微控制器为18μA。提供该电流的电源功耗只有140mW，与传统基于CMOS微控制器的设计相比，电源功耗降低了2.25W。
140mW=(110VAC-3VDC)*(400μA+400μA+500μA)
由于功耗很低，因此可以利用1/4W电阻来代替传统电源中3～4W的电阻，还可以使用功率更小的稳压二极管(偏置电流仅500μA)。最后，大电容的容量也减小到传统设计的1/7。最终的设计既节约了成本，还提供了更易于使用和对用户更有吸引力的显示屏。
PIC系列微控制器
基于闪存的低功耗8位微控制器系列采用多种纳瓦技术来降低功耗，包括更低的工作电流、时钟频率控制以及休眠模式。此外，PIC16F91X系列微控制器还提供弱上拉和LCD显示驱动器。其他外设包括EEPROM数据存储器、捕捉/比较/PWM定时器功能、10位ADC模块、比较器以及多种硬件串行通信外设。低功耗特性和丰富的外设可使系统设计人员减少所需的外部元器件，从而降低系统功耗,提高可靠性和性能，并最大限度地降低成本。
本文小结
在生活中越来越普及的电池供电应用为我们带来了更多好处，就连低功耗、低成本这样的要求也是此类应用推动的结果。众所周知，基于微控制器的控制能够为设计人员提供更大的设计自由度和灵活性。事实上，电池供电应用推动的低功耗微控制器及其丰富功能对于成本敏感的交流电供电应用也非常有帮助。
Keith Curtis
首席应用工程师
安全、微控制器和技术部
美国微芯科技公司(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/30/2005) |
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